Un altavoz de agudos o tweeter es un tipo especial de altavoz (normalmente de cúpula, de cúpula invertida o de bocina) diseñado para producir frecuencias de audio altas, normalmente de hasta 100 kHz. El nombre deriva de los sonidos agudos que emiten algunos pájaros (tweets), especialmente en contraste con los graves ladridos que emiten muchos perros , de ahí el nombre de los altavoces de baja frecuencia ( woofers ).
Casi todos los tweeters son controladores electrodinámicos que utilizan una bobina móvil suspendida dentro de un campo magnético fijo. Estos diseños funcionan aplicando corriente desde la salida de un circuito amplificador a una bobina de cable llamada bobina móvil . La bobina móvil produce un campo magnético variable, que trabaja contra el campo magnético fijo de un imán permanente alrededor del cual está suspendida la bobina móvil cilíndrica, obligando a la bobina móvil y al diafragma unido a ella a moverse. Este movimiento mecánico se asemeja a la forma de onda de la señal electrónica suministrada desde la salida del amplificador a la bobina móvil. Dado que la bobina está unida a un diafragma, el movimiento vibratorio de la bobina móvil se transmite al diafragma; el diafragma a su vez hace vibrar el aire, creando así movimientos de aire u ondas de audio, que se escuchan como sonidos agudos.
Los tweeters modernos suelen ser diferentes de los tweeters más antiguos, que normalmente eran versiones pequeñas de los woofers . A medida que la tecnología de tweeters ha avanzado, se han popularizado diferentes aplicaciones de diseño. Muchos diafragmas de tweeters de cúpula blanda están termoformados a partir de una película de poliéster o de una tela de seda o poliéster que se ha impregnado con una resina polimérica. Los tweeters de cúpula dura suelen estar hechos de aluminio, aleaciones de aluminio y magnesio o titanio.
Los tweeters están pensados para convertir una señal eléctrica en movimiento mecánico del aire sin añadir ni quitar nada, pero el proceso es imperfecto y los tweeters del mundo real implican concesiones. Entre los desafíos en el diseño y la fabricación de tweeters se encuentran: proporcionar una amortiguación adecuada, para detener el movimiento de la cúpula rápidamente cuando finaliza la señal; asegurar la linealidad de la suspensión, lo que permite una alta salida en el extremo inferior de su rango de frecuencia; garantizar la libertad de contacto con el conjunto magnético, manteniendo la cúpula centrada mientras se mueve; y proporcionar un manejo de potencia adecuado sin añadir masa excesiva. Los tweeters contribuyen a una experiencia de audio equilibrada y rica al centrarse en las frecuencias de sonido más altas. [1]
Los tweeters también pueden trabajar en colaboración con los woofers que son responsables de generar las frecuencias bajas o graves. [2]
Algunos tweeters se encuentran fuera del gabinete principal en su propia unidad semi-independiente. Algunos ejemplos incluyen los " super tweeters " y el novedoso "egg tweeter" de Ohm. Este último se enchufa y gira para ajustar el campo sonoro según la posición del oyente y la preferencia del usuario. La separación del deflector se considera óptima según la teoría de que el deflector más pequeño posible es óptimo para los tweeters. [3]
La mayoría de los tweeters están diseñados para reproducir frecuencias hasta el límite superior formalmente definido del rango de audición humana (normalmente indicado como 20 kHz); algunos funcionan en frecuencias de hasta aproximadamente entre 5 kHz y 20 kHz. Los tweeters con un rango superior mayor se han diseñado para pruebas psicoacústicas, para audio digital de rango extendido como Super Audio CD destinado a audiófilos , para biólogos que realizan investigaciones sobre la respuesta animal a los sonidos y para sistemas de sonido ambiental en zoológicos. Se han fabricado tweeters de cinta que pueden reproducir 80 kHz [4] e incluso 100 kHz. [5]
Todos los materiales de cúpula tienen ventajas y desventajas. Tres propiedades que los diseñadores buscan en las cúpulas son baja masa, alta rigidez y buena amortiguación. Celestion fue el primer fabricante en fabricar tweeters de cúpula a partir de un metal, el cobre . Hoy en día se utilizan otros metales como el aluminio , el titanio , el magnesio y el berilio , así como varias aleaciones de los mismos, que son ligeros y rígidos pero tienen baja amortiguación; sus modos resonantes ocurren por encima de los 20 kHz. También se utilizan materiales más exóticos, como el diamante sintético , por su extrema rigidez. La película de tereftalato de polietileno y la seda tejida sufren menos vibraciones, pero no son tan rígidas, lo que puede limitar su salida de frecuencia muy alta.
En general, los tweeters de cúpula más pequeños proporcionan una dispersión más amplia del sonido en las frecuencias más altas. Sin embargo, los tweeters de cúpula más pequeños tienen un área de radiación menor, lo que limita su salida en el extremo inferior de su rango, y tienen bobinas móviles más pequeñas, lo que limita su potencia de salida general.
El ferrofluido es una suspensión de partículas magnéticas de óxido de hierro muy pequeñas (normalmente de 10 nm) en un líquido de muy baja volatilidad , normalmente un aceite sintético. Una amplia gama de variantes de viscosidad y densidad magnética permite a los diseñadores añadir amortiguación, refrigeración o ambas. El ferrofluido también ayuda a centrar la bobina móvil en el espacio magnético, lo que reduce la distorsión. El fluido se inyecta normalmente en el espacio magnético y se mantiene en su sitio gracias al fuerte campo magnético. Si un tweeter ha estado sometido a niveles elevados de potencia, se produce un cierto espesamiento del ferrofluido, ya que una parte del líquido portador se evapora. En casos extremos, esto puede degradar la calidad del sonido y el nivel de salida de un tweeter, y se debe retirar el fluido e instalar uno nuevo.
Los tweeters diseñados para aplicaciones de refuerzo de sonido e instrumentos musicales son muy similares a los tweeters de alta fidelidad, aunque normalmente no se los denomina tweeters, sino "controladores de alta frecuencia". Las principales diferencias en los requisitos de diseño son: montajes diseñados para envíos y manipulaciones repetidos, controladores a menudo montados en estructuras de bocina para proporcionar niveles de sonido más altos y un mayor control de la dispersión del sonido, y bobinas móviles más robustas para soportar los niveles de potencia más altos que se encuentran normalmente. Los controladores de alta frecuencia en bocinas de PA a menudo se denominan " controladores de compresión " por el modo de acoplamiento acústico entre el diafragma del controlador y la garganta de la bocina.
En la construcción de los diafragmas de los controladores de compresión se utilizan diversos materiales, entre ellos titanio, aluminio, tejido impregnado con resina fenólica, poliimida y película de PET , cada uno con sus propias características. El diafragma está pegado a un formador de bobina móvil, normalmente fabricado con un material diferente al de la cúpula, ya que debe soportar el calor sin desgarrarse ni sufrir cambios dimensionales significativos. La película de poliimida, el Nomex y la fibra de vidrio son populares para esta aplicación. La suspensión puede ser una continuación del diafragma y está pegada a un anillo de montaje, que puede encajar en una ranura, sobre pasadores de ubicación o fijarse con tornillos para máquina. El diafragma tiene generalmente la forma de una cúpula invertida y se carga en una serie de canales cónicos en una estructura central llamada tapón de fase , que iguala la longitud del recorrido entre varias áreas del diafragma y la garganta de la bocina, evitando cancelaciones acústicas entre diferentes puntos de la superficie del diafragma. El tapón de fase sale a un tubo cónico, que forma el inicio de la propia bocina. Esta garganta que se expande lentamente dentro del altavoz se continúa en el reborde de la bocina. El reborde de la bocina controla el patrón de cobertura, o directividad, y como transformador acústico, agrega ganancia. Una combinación profesional de bocina y altavoz de compresión tiene una sensibilidad de salida de entre 105 y 112 dB/vatio/metro. Esto es sustancialmente más eficiente (y menos peligroso térmicamente para una bobina móvil pequeña y un formador) que otras construcciones de tweeter.
Los tweeters de cono tienen el mismo diseño y forma básicos que un woofer, con optimizaciones para funcionar a frecuencias más altas. Las optimizaciones suelen ser:
Los tweeters de cono eran populares en los altavoces estéreo de alta fidelidad más antiguos diseñados y fabricados en los años 1960 y 1970 como una alternativa al tweeter de cúpula (que se desarrolló a fines de los años 1950). Los tweeters de cono actuales suelen ser relativamente baratos, pero muchos de los del pasado eran de alta calidad, como los fabricados por Audax/Polydax, Bozak, CTS, JBL, Tonegen y SEAS. Estos tweeters de cono antiguos exhibían una respuesta de frecuencia muy plana, baja distorsión, respuesta transitoria rápida, una baja frecuencia de resonancia y una suave caída de graves, lo que facilitaba el diseño del filtro divisor de frecuencias.
Los tweeters de cono de "anillo fenólico" de CTS fueron típicos de la década de 1960 y 1970, ya que presentaban una respuesta plana de 2000 a 15 000 Hz, baja distorsión y rápida respuesta transitoria. El tweeter de "anillo fenólico" de CTS recibe su nombre del anillo de suspensión de borde de color naranja que tiene y que está hecho de fenólico. Se utilizó en muchas marcas y modelos de altavoces antiguos de gran prestigio y era una unidad de precio medio.
Los tweeters de cono tienen una característica de dispersión más estrecha, similar a la de un woofer de cono. Por lo tanto, muchos diseñadores creyeron que esto los hacía una buena combinación con los altavoces de medios y woofers de cono, lo que permitía una imagen estéreo excelente. Sin embargo, el "punto óptimo" creado por la dispersión estrecha de los tweeters de cono es pequeño. Los altavoces con tweeters de cono ofrecían la mejor imagen estéreo cuando se colocaban en las esquinas de la habitación, una práctica común en los años 50, 60 y principios de los 70.
Durante los años 1970 y 1980, la introducción generalizada de discos audiófilos de mayor calidad y la llegada del CD hicieron que el tweeter de cono perdiera popularidad porque los tweeters de cono rara vez superaban los 15 kHz. Los audiófilos sentían que los tweeters de cono carecían de la "aireación" de los tweeters de cúpula u otros tipos. Sin embargo, muchos tweeters de cono de alta gama siguieron produciéndose de forma limitada por Audax, JBL y SEAS hasta mediados de los años 1980.
Los tweeters de cono ya no se utilizan con frecuencia en los equipos de alta fidelidad modernos y se los ve habitualmente en aplicaciones de bajo coste, como altavoces de fábrica para coches, sistemas estéreo compactos y equipos de música. Algunos fabricantes de altavoces de gama alta han vuelto recientemente a los tweeters de cono de gama alta, especialmente a las recreaciones de los modelos de anillo fenólico CTS, para crear un producto con un sonido clásico.
Un tweeter de cúpula se construye uniendo una bobina móvil a una cúpula (hecha de tela tejida, metal fino u otro material adecuado), que se fija al imán o a la placa superior mediante una suspensión de baja flexibilidad. Estos tweeters normalmente no tienen un marco o una cesta, sino una simple placa frontal unida al conjunto del imán. Los tweeters de cúpula se clasifican por el diámetro de su bobina móvil y varían de 19 mm (0,75 pulgadas) a 38 mm (1,5 pulgadas). La gran mayoría de los tweeters de cúpula que se utilizan actualmente en los altavoces de alta fidelidad tienen un diámetro de 25 mm (1 pulgada).
Una variante es el radiador de anillo, en el que la "suspensión" del cono o cúpula se convierte en el principal elemento radiante. Estos tweeters tienen características de directividad diferentes a las de los tweeters de cúpula estándar.
Un tweeter piezoeléctrico contiene un cristal piezoeléctrico acoplado a un diafragma mecánico. Se aplica una señal de audio al cristal, que responde flexionándose en proporción al voltaje aplicado a través de las superficies del cristal, convirtiendo así la energía eléctrica en mecánica.
La conversión de pulsos eléctricos en vibraciones mecánicas y la conversión de las vibraciones mecánicas devueltas nuevamente en energía eléctrica es la base de las pruebas ultrasónicas. El elemento activo es el corazón del transductor, ya que convierte la energía eléctrica en energía acústica y viceversa. El elemento activo es básicamente una pieza de material polarizado (es decir, algunas partes de la molécula están cargadas positivamente, mientras que otras partes de la molécula están cargadas negativamente) con electrodos unidos a dos de sus caras opuestas. Cuando se aplica un campo eléctrico a través del material, las moléculas polarizadas se alinearán con el campo eléctrico, lo que dará como resultado dipolos inducidos dentro de la estructura molecular o cristalina del material. Esta alineación de moléculas hará que el material cambie de dimensiones. Este fenómeno se conoce como electrostricción . Además, un material polarizado permanentemente como el cuarzo (SiO 2 ) o el titanato de bario (BaTiO 3 ) producirá un campo eléctrico cuando el material cambie de dimensiones como resultado de una fuerza mecánica impuesta. Este fenómeno se conoce como efecto piezoeléctrico .
Los tweeters piezoeléctricos rara vez se utilizan en audio de alta gama debido a su baja fidelidad, aunque sí se utilizaron en algunos diseños de alta gama de finales de los años 70, como el Celef PE1, en el que se utilizaron como un súper tweeter en combinación con un tweeter de cúpula convencional. Se utilizan a menudo en juguetes, zumbadores, alarmas, cajas acústicas de bajos, altavoces de ordenador o estéreo baratos y bocinas de PA. [ cita requerida ]
Un tweeter de cinta utiliza un diafragma muy fino (a menudo de aluminio, o quizás de película de plástico metalizado) que sostiene una bobina plana, frecuentemente hecha por deposición de vapor de aluminio, suspendida en un potente campo magnético (normalmente proporcionado por imanes de neodimio ) para reproducir altas frecuencias. El desarrollo de los tweeters de cinta ha seguido más o menos el desarrollo de los micrófonos de cinta . La cinta es de un material muy ligero y, por tanto, capaz de una aceleración muy alta y una respuesta de alta frecuencia extendida. Las cintas han sido tradicionalmente incapaces de una salida alta (los grandes huecos magnéticos que conducen a un acoplamiento magnético deficiente son la razón principal). Pero las versiones de mayor potencia de los tweeters de cinta se están volviendo comunes en los sistemas de arreglo lineal de refuerzo de sonido a gran escala, que pueden servir a audiencias de miles de personas. Son atractivos en estas aplicaciones ya que casi todos los tweeters de cinta exhiben inherentemente propiedades direccionales útiles, con una dispersión horizontal muy amplia (cobertura) y una dispersión vertical muy ajustada. Estos controladores se pueden apilar fácilmente verticalmente, creando un arreglo lineal de alta frecuencia que produce altos niveles de presión sonora mucho más lejos de las ubicaciones de los altavoces que los tweeters convencionales.
Algunos diseñadores de altavoces utilizan un tweeter magnético planar, a veces llamado cuasi-cinta. Los tweeters magnéticos planares son generalmente menos costosos que los tweeters de cinta verdaderos, pero no son exactamente equivalentes, ya que una cinta de papel de aluminio es más liviana que el diafragma en un tweeter magnético planar y las estructuras magnéticas son diferentes. Por lo general, se utiliza una pieza delgada de película PET o plástico con un cable de bobina móvil que corre varias veces verticalmente sobre el material. La estructura magnética es menos costosa que para los tweeters de cinta.
Un tweeter electrostático funciona según los mismos principios que un altavoz electrostático de rango completo o un par de auriculares electrostáticos. Este tipo de altavoz utiliza un diafragma fino (generalmente de plástico y, por lo general, de película PET ), con un revestimiento conductor fino, suspendido entre dos pantallas o láminas metálicas perforadas, denominadas estatores.
La salida del amplificador de excitación se aplica al primario de un transformador elevador con un secundario con toma central, y se aplica un voltaje muy alto (de varios cientos a varios miles de voltios) entre la toma central del transformador y el diafragma. La electrostática de este tipo incluye necesariamente una fuente de alimentación de alto voltaje para proporcionar el alto voltaje utilizado. Los estatores se conectan a los terminales restantes del transformador. Cuando se aplica una señal de audio al primario del transformador, los estatores se desfasan eléctricamente 180 grados, atrayendo y repeliendo alternativamente el diafragma.
Una forma poco común de accionar un altavoz electrostático sin un transformador es conectar las placas de un amplificador de tubo de vacío push-pull directamente a los estatores y la fuente de alimentación de alto voltaje entre el diafragma y tierra.
Los electrostáticos han reducido la distorsión armónica de orden par gracias a su diseño push-pull. También tienen una distorsión de fase mínima. El diseño es bastante antiguo (las patentes originales datan de la década de 1930), pero ocupa un segmento muy pequeño del mercado debido a los altos costos, la baja eficiencia, el gran tamaño para diseños de rango completo y la fragilidad.
El tweeter Air Motion Transformer funciona expulsando el aire perpendicularmente desde el diafragma plisado. Su diafragma son los pliegues plegados de película (normalmente película PET) alrededor de puntales de aluminio sujetos en un campo magnético fuerte. En décadas pasadas, ESS de California produjo una serie de altavoces híbridos que utilizaban este tipo de tweeters, junto con woofers convencionales, a los que denominaba transductores Heil en honor a su inventor, Oskar Heil . Son capaces de alcanzar niveles de salida considerables y son bastante más resistentes que los electrostáticos o las cintas, pero tienen elementos móviles similares de baja masa.
La mayoría de los controladores AMT que se utilizan actualmente son similares en eficiencia y respuesta de frecuencia a los diseños originales de Oskar Heil de la década de 1970.
Un tweeter de bocina es cualquiera de los tweeters anteriores acoplados a una estructura ensanchada o de bocina . Las bocinas se utilizan para dos propósitos: para controlar la dispersión y para acoplar el diafragma del tweeter al aire para una mayor eficiencia. El tweeter en cualquier caso generalmente se denomina controlador de compresión y es bastante diferente de los tipos de tweeters más comunes (ver arriba). Si se utiliza correctamente, una bocina mejora la respuesta fuera del eje del tweeter al controlar (es decir, reducir) la directividad del tweeter. También puede mejorar la eficiencia del tweeter al acoplar la impedancia acústica relativamente alta del controlador a la impedancia más baja del aire. Cuanto más grande sea la bocina, más bajas serán las frecuencias en las que puede funcionar, ya que las bocinas grandes proporcionan acoplamiento al aire a frecuencias más bajas. Hay diferentes tipos de bocinas, incluidas las de directividad constante (CD) y radiales . Los tweeters de bocina pueden tener una firma sonora algo "diferente" a la de los tweeters de cúpula simples. Las bocinas mal diseñadas o con un crossover inadecuado tienen problemas predecibles en la precisión de su salida y en la carga que presentan al amplificador. Quizás preocupados por la imagen de bocinas mal diseñadas, algunos fabricantes utilizan tweeters con bocina cargada, pero evitan usar el término. Sus eufemismos incluyen "apertura elíptica", "semibocina" y "control de directividad". No obstante, son una forma de carga de bocina.
Como el gas ionizado está cargado eléctricamente y puede manipularse mediante un campo eléctrico variable, es posible utilizar una pequeña esfera de plasma como tweeter. Estos tweeters se denominan tweeter de plasma o tweeter de iones. Pueden ser más complejos que otros tweeters (en otros tipos no se requiere la generación de plasma), pero ofrecen la ventaja de que la masa en movimiento es óptimamente baja, si no relativamente sin masa y, por lo tanto, muy sensible a la entrada de señal. Los primeros modelos de estos tweeters no eran capaces de producir una salida alta, ni de reproducir frecuencias que no fueran muy altas, por lo que se utilizan generalmente en la garganta de una estructura de bocina para gestionar niveles de salida utilizables. Una desventaja es que el arco de plasma puede producir ozono y NOx , gases venenosos , en pequeñas cantidades como subproducto. Debido a esto, los altavoces "magnasphere" de fabricación alemana de Magnat fueron prohibidos para su importación a los Estados Unidos en la década de 1980. Cualquier diseño moderno utiliza catalizadores para reducir la salida de gas a cantidades insignificantes.
En el pasado, el fabricante dominante en los EE. UU. era DuKane, cerca de St Louis, que fabricaba el Ionovac; también se vendió en una variante británica con el nombre de Ionophone. Electro-Voice fabricó un modelo durante un corto tiempo bajo licencia junto con DuKane del inventor Siegfried Klein. Estos primeros modelos eran delicados y requerían un reemplazo regular de la celda en la que se generaba el plasma (la unidad DuKane usaba una celda de cuarzo mecanizada con precisión). Como resultado, eran unidades caras en comparación con otros diseños. Quienes han escuchado los Ionovacs informan que, en un sistema de altavoces diseñado sensatamente, los agudos eran "aireados" y muy detallados, aunque no era posible obtener una salida alta.
En la década de 1980, el altavoz Plasmatronics también utilizó un tweeter de plasma, aunque el fabricante no permaneció en el negocio por mucho tiempo y se vendieron muy pocas de estas complejas unidades.
